專利名稱：軸上帶有當(dāng)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子開裂時(shí)用于軸向固定的裝置的渦輪增壓器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
背景技術(shù)：
借助于渦輪增壓器可以將內(nèi)燃機(jī)的廢氣用于壓縮輸送到內(nèi)燃機(jī)的燃燒用空氣。渦輪增壓器為此具有與共用軸配合的渦輪機(jī)和壓縮機(jī)。內(nèi)燃機(jī)的廢氣在渦輪機(jī)內(nèi)減壓并轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)能量。所獲得的旋轉(zhuǎn)能量借助于該軸傳遞到壓縮輸送給內(nèi)燃機(jī)空氣的壓縮機(jī)上。通過將廢氣的能量用于壓縮輸送到內(nèi)燃機(jī)內(nèi)燃燒過程的空氣，可以優(yōu)化內(nèi)燃機(jī)的燃燒過程和能量收益率。
因?yàn)樵跍u輪增壓器上，通常外殼的中間部件由于里面包含軸承需要預(yù)先加工和封閉，甚至可能整體構(gòu)成，所以壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子在渦輪增壓器組裝時(shí)，要首先與軸和固定在軸上的渦輪連接，以便使組件渦輪機(jī)-軸-壓縮機(jī)能夠完全裝入外殼內(nèi)。這種結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是，在壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子開裂時(shí)，軸不再能夠在外殼內(nèi)通過軸承軸向定位，而且由于渦輪產(chǎn)生的軸向力會(huì)導(dǎo)致軸從外殼內(nèi)沿軸向脫落。為了盡可能避免這一點(diǎn)，通常是將外殼或者安裝在外殼上的排氣彎管或者板式擴(kuò)壓器或者排氣管加固，使開裂的部件或者軸可靠地保持在外殼內(nèi)。然而這種加固相當(dāng)昂貴和費(fèi)時(shí)，而且在渦輪產(chǎn)生作用于軸的軸向力很高的情況下，該軸仍然會(huì)從外殼脫落并導(dǎo)致嚴(yán)重的事故。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，在上述類型的渦輪增壓器上提供一種用于防止軸從外殼內(nèi)脫落的簡(jiǎn)單和成本低廉的裝置。
根據(jù)本發(fā)明，該目的通過第一權(quán)利要求所述的特征得以實(shí)現(xiàn)。
本發(fā)明的核心在于，在外殼內(nèi)在與渦輪連接的軸上設(shè)置用于軸和與其連接的渦輪軸向固定的裝置。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)還在于，借助簡(jiǎn)單的裝置在壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子開裂時(shí)，可以將剩下的軸和固定在軸上的渦輪可靠地保持在外殼內(nèi)。盡管使用了軸向固定裝置，但渦輪增壓器仍可按傳統(tǒng)公知的方法那樣進(jìn)行組裝和工作，而不會(huì)增加安裝和拆卸的難度。通過使用基本上徑向?qū)ΨQ的軸向固定裝置，防止對(duì)轉(zhuǎn)子也就是不平衡度的影響。
特別有利的是，作為軸向固定裝置使用一個(gè)例如像止推環(huán)這樣的防護(hù)環(huán)。這種裝置價(jià)格低廉，使用簡(jiǎn)單，因?yàn)槌诉@種很容易得到的防護(hù)環(huán)外無需其他附加部件。迄今為止所使用的部件上的變化因此降到最低限度。軸上用于容納防護(hù)環(huán)必須設(shè)置的環(huán)形槽非常小，對(duì)軸的特征值沒有影響。
本發(fā)明其他優(yōu)選的方案來自從屬權(quán)利要求。


下面借助附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說明。相同的部件在不同的附圖中均采用相同的附圖標(biāo)記。介質(zhì)的流動(dòng)方向采用箭頭標(biāo)注。其中圖1示出根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的渦輪增壓器的縱剖面示意圖；圖2A示出圖1截面A的放大圖，但具有本發(fā)明主題的第一實(shí)施方式；圖2B示出圖2A的截面B，它是本發(fā)明主題第一實(shí)施方式的另一放大圖；圖3示出本發(fā)明主題的第二實(shí)施方式，類似于圖2A的視圖。
這里僅示出對(duì)于直接理解本發(fā)明重要的部件。沒有示出例如相關(guān)的內(nèi)燃機(jī)。
具體實(shí)施例方式
圖1以縱剖面示意示出渦輪增壓器1，包括一個(gè)渦輪機(jī)2和一個(gè)壓縮機(jī)3。渦輪機(jī)2主要包括帶有渦輪葉片6的一個(gè)渦輪4和環(huán)繞渦輪4的一個(gè)渦輪機(jī)外殼5。壓縮機(jī)3包括帶有壓縮機(jī)葉片8的一個(gè)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子7和環(huán)繞壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子7的一個(gè)壓縮機(jī)外殼9。渦輪4和壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子7通過一根軸10相互連接，軸借助于不同的軸承件支承在軸承箱內(nèi)。渦輪機(jī)2和壓縮機(jī)3在這里示出的實(shí)施例中作為徑向渦輪機(jī)和壓縮機(jī)構(gòu)成。以公知的方式通過未示出的內(nèi)燃機(jī)經(jīng)通道11，12輸送到渦輪4的廢氣驅(qū)動(dòng)渦輪4。減壓并通過減壓冷卻的廢氣通過未進(jìn)一步示出的廢氣通道排出。通過渦輪4的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，借助于軸10與渦輪4連接的壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子7同樣進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。通過壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子7吸入空氣14，壓縮空氣并通過排放通道15以公知的方式進(jìn)行輸送，以便提高未示出的內(nèi)燃機(jī)的效率。
為組裝渦輪增壓器1，將與軸10連接的渦輪4在壓縮機(jī)側(cè)的方向上插入軸承箱16內(nèi)。在此，渦輪機(jī)側(cè)的向心軸承17a可以如這里所示已經(jīng)安裝在軸承箱16內(nèi)或者套裝在軸10上。然后為了進(jìn)一步支承軸10，將推力軸承18，推力環(huán)18a和輔助軸承19套裝在軸10上。最后將帶有預(yù)裝密封墊圈20的軸承蓋21和壓縮機(jī)側(cè)的向心軸承17b安裝在軸上。通過將壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子7旋接在軸10上，隨后將的所有套裝件18，18a，19，20在軸承箱16和壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子7之間軸向定位。在渦輪機(jī)側(cè)，現(xiàn)在可以將渦輪機(jī)外殼5推到渦輪4上并固定在軸承箱16上。在壓縮機(jī)側(cè)，可以相應(yīng)地將壓縮機(jī)外殼9推到壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子7上同樣固定在軸承箱16上。在與所示實(shí)施例不同的渦輪增壓器情況下，安裝步驟在細(xì)節(jié)上會(huì)略有不同，其中，將帶有渦輪的軸插入軸承箱，隨后套裝不同軸承件并將壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子在軸上固定的原則不變。
由于將壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子7固定在軸10上-在該實(shí)施例中，軸端具有外螺紋，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子7具有用于壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子定位的內(nèi)螺紋-通過密封墊圈20，輔助軸承19，推力軸承18，推力環(huán)18a，向心軸承17a和17b以及軸承箱16的共同作用，組件壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子-軸-渦輪以很小的軸向間隙可靠地保持在軸承箱16內(nèi)。然而，如果在渦輪增壓器1工作期間壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子7出現(xiàn)開裂，或者壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子7和軸10之間的連接斷開，因?yàn)槭チ苏Ｇ闆r下通過壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子7產(chǎn)生的反作用力，渦輪4會(huì)加速到不允許的高轉(zhuǎn)速上。渦輪4因此處于軸向力分量下，這種力分量缺少正常時(shí)通過壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子7的補(bǔ)償，導(dǎo)致軸10和渦輪4軸向運(yùn)動(dòng)。取決于存在的力，在渦輪4損壞情況下渦輪4和軸10從渦輪機(jī)外殼5軸向脫落。這樣會(huì)危及到環(huán)境和操作人員。
圖2A示出根據(jù)本發(fā)明渦輪增壓器1的壓縮機(jī)側(cè)的截面，它大體上與圖1根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)示出的渦輪增壓器12構(gòu)成相同。但正如從圖2A和2B可看出的那樣，根據(jù)本發(fā)明在軸10上設(shè)置一個(gè)防護(hù)環(huán)22，它在該實(shí)施例中為止推環(huán)。防護(hù)環(huán)22嵌入軸10的一個(gè)環(huán)形槽23內(nèi)，該防護(hù)環(huán)徑向向外凸起于該環(huán)形槽并通過其軸向側(cè)面與防護(hù)環(huán)22精確配合，或者以安裝用的微小間隙沿軸向在其位置上定位。也可以設(shè)想環(huán)形槽的軸向?qū)挾却笥诜雷o(hù)環(huán)22(未示出)的軸向?qū)挾龋渲?，防護(hù)環(huán)22在停機(jī)和正常工作情況下靠近壓縮機(jī)側(cè)的側(cè)面定位，因?yàn)閷?duì)于開裂情況下產(chǎn)生的軸向力的力線來說，重要的首先是壓縮機(jī)側(cè)的側(cè)面。防護(hù)環(huán)22在徑向上由一防護(hù)件27環(huán)繞，該件為安裝以微小的徑向間隙環(huán)繞防護(hù)環(huán)22。為使防護(hù)環(huán)22在工作期間不會(huì)徑向從環(huán)形槽23內(nèi)脫落，該徑向間隙小于環(huán)形槽23的徑向深度，從而防護(hù)件27在工作時(shí)徑向精確配合地環(huán)繞防護(hù)環(huán)22。在這里示出的實(shí)施例中，密封墊圈20同時(shí)達(dá)到了防護(hù)件27的目的，從而除了防護(hù)環(huán)22外無需附加部件，簡(jiǎn)化了安裝。為達(dá)到防護(hù)件27的目的，密封墊圈20在渦輪機(jī)側(cè)具有徑向凹槽24，其徑向延伸大致相當(dāng)于防護(hù)環(huán)22連同間隙徑向從環(huán)形槽23凸起的部分。凹槽24的軸向?qū)挾嚷源笥诜雷o(hù)環(huán)22的軸向?qū)挾?，從而防護(hù)環(huán)22利用與密封墊圈20和相鄰輔助軸承19的軸向間隙設(shè)置在軸10的環(huán)形槽23內(nèi)。該軸向間隙確保防護(hù)環(huán)22在停機(jī)和工作期間的正常條件下在軸向上沒有負(fù)荷。
如上面對(duì)現(xiàn)有技術(shù)所介紹的那樣，為形成軸10的軸向固定，首先將渦輪增壓器1與剛才介紹的根據(jù)本發(fā)明的裝置22進(jìn)行組裝。但在裝入輔助軸承19后，還要先將防護(hù)環(huán)22裝入環(huán)形槽23內(nèi)。防護(hù)環(huán)22不管是以推力環(huán)還是以可配合的弓形段形式構(gòu)成，都使它在環(huán)形槽23內(nèi)定位后封閉，并在停機(jī)時(shí)最好徑向無間隙與軸配合，從而防護(hù)環(huán)22在安裝狀態(tài)下基本上徑向?qū)ΨQ。這一點(diǎn)對(duì)于避免軸10的不平衡是必要的。然后將密封墊圈20套在軸10上并利用其凹槽24整體套在防護(hù)環(huán)22上，使其在渦輪機(jī)側(cè)與輔助軸承19接觸。因此，防護(hù)環(huán)22軸向利用間隙由密封墊圈和輔助軸承19環(huán)繞，而它在工作時(shí)徑向外部通過密封墊圈20確保精確配合。然后壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子7例如借助于螺栓連接與軸10連接。安裝后的壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子7將密封墊圈20，輔助軸承19，推力軸承19和推力環(huán)18a與軸10擠壓-確切地說是與軸10起到支座作用的凸肩擠壓-并按照這種方式將所述部件定位。密封墊圈20和輔助軸承19之間防護(hù)環(huán)22的軸向間隙的作用是，防護(hù)環(huán)22在正常工作時(shí)軸向沒有負(fù)荷。如果壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子7出現(xiàn)開裂，那么軸10受渦輪4的軸向力驅(qū)動(dòng)，僅在渦輪機(jī)側(cè)方向上整體上軸向運(yùn)動(dòng)，直至防護(hù)環(huán)22與輔助軸承19產(chǎn)生接觸，并借助于防護(hù)環(huán)22在軸10和輔助軸承19之間產(chǎn)生形式配合連接。該軸向力然后經(jīng)輔助軸承19并通過推力軸承18傳入軸承箱16內(nèi)。通過徑向環(huán)繞防護(hù)環(huán)22并通過外殼軸向保持的密封墊圈20，防護(hù)環(huán)22進(jìn)一步沿徑向在軸上定位。
因此在壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子7斷開后，通過防護(hù)環(huán)22阻止軸10在渦輪4的方向上軸向運(yùn)動(dòng)。因?yàn)槭チ藟嚎s機(jī)轉(zhuǎn)子7的反作用力，所以渦輪4的轉(zhuǎn)速快速上升，直至葉片6或者整個(gè)輪轂開裂并由此將渦輪4制動(dòng)，或者直至軸10通過未進(jìn)一步示出的裝置制動(dòng)。
圖3示出用于損壞情況下軸10軸向固定的另一解決方案。在裝入密封墊圈20后，將基本上徑向?qū)ΨQ的定位套筒25安裝在軸10上并例如旋接地與軸固定連接，該套筒將密封墊圈20和輔助軸承19保持在軸上。然后將壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子7安裝在具有間隙26并環(huán)繞定位套筒25的軸上。
如果壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子7出現(xiàn)開裂，而且軸10要在渦輪4的方向上軸向運(yùn)動(dòng)，那么通過定位套筒25會(huì)產(chǎn)生軸10、密封墊圈20和輔助軸承19之間形狀配合連接。輔助軸承19本身在軸向上由保持在軸承箱16內(nèi)的推力軸承18的固定。
在壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子7分離后，如同前面的解決方案通過防護(hù)環(huán)22那樣，借助定位套筒25阻止軸10在渦輪4的方向上軸向運(yùn)動(dòng)。因?yàn)槭チ藟嚎s機(jī)轉(zhuǎn)子7的反作用力，所以渦輪4的轉(zhuǎn)速快速上升，直至葉片6或者整個(gè)輪轂開裂并由此將渦輪4制動(dòng)，或者直至軸10通過未進(jìn)一步示出的裝置制動(dòng)。
不言而喻，本發(fā)明并不局限于附圖中所示和介紹的實(shí)施例。也可以具有根據(jù)本發(fā)明用于軸向固定裝置的其他實(shí)施方式。根據(jù)本發(fā)明的固定裝置，也可以在其他類型的渦輪機(jī)和壓縮機(jī)上作為這里所示的固定裝置使用。取代所述的軸承件，以其他形式構(gòu)成的軸承件也可與設(shè)置在軸上的本發(fā)明固定裝置以相同的方式共同作用。所介紹的和附圖中示出的實(shí)施例僅借助具體實(shí)施方式
說明固定裝置的作用原理，因此沒有限制性。
附圖標(biāo)記1 渦輪增壓器2 渦輪機(jī)3 壓縮機(jī)4 渦輪5 渦輪機(jī)外殼6 渦輪葉片7 壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子8 壓縮機(jī)葉片9 壓縮機(jī)外殼10軸11輸送通道12通道13廢氣14空氣15排放通道16軸承箱17a TS向心軸承17b VS向心軸承18推力軸承18a 推力環(huán)19輔助軸承20密封墊圈21軸承蓋22防護(hù)環(huán)23環(huán)形槽24密封墊圈間隙25定位套筒26壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子間隙27防護(hù)件
權(quán)利要求
1. 渦輪增壓器(1)，包括帶有一個(gè)渦輪(4)的一個(gè)渦輪機(jī)(2)和帶有一個(gè)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子(7)的一個(gè)壓縮機(jī)(3)，其中，渦輪和壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子通過一根軸(10)連接，該軸可旋轉(zhuǎn)地支承在渦輪和壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子之間，而且渦輪、軸和壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子這樣設(shè)置在外殼(5，9，16)內(nèi)，使其在壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子(7)開裂的情況下，在渦輪(4)和與其連接軸(10)上作用一個(gè)軸向的在渦輪機(jī)(2)的方向上的力，其特征在于，在與渦輪(4)連接的軸(10)上設(shè)置用于軸向固定軸(10)和與其連接的渦輪(4)的裝置(22，25)，其中，該裝置(22，25)在壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子(7)開裂的情況下阻止軸(10)和與其連接的渦輪(4)在渦輪機(jī)(2)的方向上軸向運(yùn)動(dòng)。
2.按權(quán)利要求1所述的渦輪增壓器，其特征在于，用于軸向固定軸(10)的裝置(22，25)與軸(10)的軸承件(18，18a和19)共同作用。
3.按權(quán)利要求1或2所述的渦輪增壓器，其特征在于，用于軸向固定軸(10)的裝置(22，25)基本上徑向?qū)ΨQ。
4.按權(quán)利要求1，2或3所述的渦輪增壓器，其特征在于，用于軸向固定軸(10)的裝置(22，25)為設(shè)置在軸上的防護(hù)環(huán)(22)。
5.按權(quán)利要求4所述的渦輪增壓器，其特征在于，軸(10)上設(shè)置用于容納防護(hù)環(huán)(22)的一圈環(huán)形槽(23)，裝入的防護(hù)環(huán)(22)徑向向外凸出該槽，其中，最好環(huán)形槽(23)的軸向側(cè)面軸向精確配合或者利用間隙環(huán)繞防護(hù)環(huán)(22)。
6.按權(quán)利要求4或5所述的渦輪增壓器，其特征在于，防護(hù)環(huán)(22)以止推環(huán)的方式或者以可配合的弓形段形式構(gòu)成。
7.按權(quán)利要求4，5或6所述的渦輪增壓器，其特征在于，防護(hù)環(huán)(22)在裝入狀態(tài)下為環(huán)繞軸(10)的封閉環(huán)。
8.按權(quán)利要求4-7之一所述的渦輪增壓器，其特征在于，防護(hù)環(huán)(22)由一個(gè)防護(hù)件(27)從外部徑向環(huán)繞，其中，停機(jī)時(shí)具有一個(gè)小于環(huán)形槽(23)徑向深度的徑向間隙，從而防護(hù)件(27)在工作期間將防護(hù)環(huán)(22)保持在環(huán)形槽(23)內(nèi)。
9.按權(quán)利要求8所述的渦輪增壓器，其特征在于，防護(hù)環(huán)(22)特別是借助于防護(hù)件(27)在停機(jī)和正常工作時(shí)在軸向上沒有負(fù)荷。
10.按權(quán)利要求8或9所述的渦輪增壓器，其特征在于，防護(hù)件(27)以密封墊圈(20)帶有一個(gè)渦輪機(jī)側(cè)敞開的凹槽(24)的方式構(gòu)成，該凹槽(24)的軸向延伸大于防護(hù)環(huán)(22)的軸向延伸，而凹槽(24)的徑向延伸尺寸使它在停機(jī)時(shí)最好僅以微小的徑向間隙環(huán)繞防護(hù)環(huán)(22)。
11.按權(quán)利要求1，2或3所述的渦輪增壓器，其特征在于，用于軸向固定軸(10)的裝置(22，25)為固定在軸(10)上的定位套筒(25)。
12.渦輪增壓器上用于軸向固定軸(10)和與該軸固定連接部件的裝置，其中，軸上防旋轉(zhuǎn)地設(shè)置一個(gè)渦輪(4)和一個(gè)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子(7)，該軸可旋轉(zhuǎn)地支承在渦輪和壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子之間，而且渦輪、軸和壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子這樣設(shè)置，使其在兩個(gè)轉(zhuǎn)子之一開裂情況下，在軸和與軸固定連接部件上作用一個(gè)軸向作用力，其特征在于，所述的裝置(22，25)與軸(10)連接，在開裂情況下與軸(10)的軸承件(18，18a和19)共同作用，從而軸向作用力通過這種共同作用得到補(bǔ)償，并阻止軸(10)和與軸固定連接部件(4)的軸向運(yùn)動(dòng)。
全文摘要
渦輪增壓器(1)包括渦輪機(jī)(2)和與渦輪機(jī)(2)連接的壓縮機(jī)(3)，其中，渦輪機(jī)(2)包括渦輪(4)，壓縮機(jī)(3)包括壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子(7)，它們借助于軸(10)相互連接并置于外殼(5，9，16)內(nèi)。在工作狀態(tài)下壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子(7)與軸(10)分離時(shí)，在渦輪(4)和與其連接的軸(10)上作用一該軸向力。在與渦輪(4)連接的軸(10)上，設(shè)置用于軸向固定外殼(5，9，16)內(nèi)軸和與其連接渦輪的裝置(22，25)。
文檔編號(hào)F01D1/00GK1650092SQ03808243
公開日2005年8月3日 申請(qǐng)日期2003年4月10日 優(yōu)先權(quán)日2002年4月12日
發(fā)明者A·科普, M·加特曼, T·格維亨博格 申請(qǐng)人:Abb渦輪系統(tǒng)有限公司